Infocommunications and Radio Technologies Infocommunications and Radio Technologies ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫЕ И РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 2587-9936 52850 10.15826/icrt.2019.02.1.04 ФИЗИКА (01.04.00) PHYSICS (01.04.00) ФИЗИКА (01.04.00) Radiation-Hardening-By-Design of the HighPerformance CMOS Nanometer System-on-chip Радиационно-стойкое проектирование высокопроизводительных нанометровых КМОП СБИС «система-на-кристалле» https://orcid.org/0000-0002-6026-4820 Герасимов Юрий Михайлович Gerasimov Yuriy M. YGerasimov@elvees.com

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

 Григорьев Николай Геннадьевич Grigoryev Nikolay G market@elvees.com Кобыляцкий Андрей Вадимович Kobylyatskiy Andrey V market@elvees.com https://orcid.org/0000-0002-6502-6370 Петричкович Ярослав Ярославович Petrichkovich Yaroslav Ya. market@elvees.com

доктор технических наук;

doctor of technical sciences;

 Солохина Татьяна Владимировна Solokhina Tatiana V market@elvees.com НПЦ «Электронные вычислительно-информационные системы» («ЭЛВИС» ) Москва Россия SPC “Electronic Computing and Information Systems” (“ELVIS”), JSC Moscow Russian Federation Научно-производственный центр «Электронные вычислительно-информационные системы» ru RnD Center “ELVEES”, JSC ru Научно-производственный центр «Электронные вычислительно-информационные системы» ru RnD Center “ELVEES”, JSC ru НПЦ «Электронные вычислительно-информационные системы» («ЭЛВИС» ) Москва Россия SPC “Electronic Computing and Information Systems” (“ELVIS”), JSC Moscow Russian Federation Научно-производственный центр «Электронные вычислительно-информационные системы» ru RnD Center “ELVEES”, JSC ru 25 03 2019 25 03 2019 2 1 33 51 20 03 2019 https://rusjbpc.ru/en/nauka/article/52850/view

Проанализировано влияние доминирующих радиационных эффектов в КМОП ИС и СБИС объемного кремния на их электрические параметры и характеристики. Рассмотрено влияние масштабирования и электрических режимов работы приборных и паразитных n-МОП транзисторов на параметры радиационной стойкости. Получила развитие методология радиационно-стойкого проектирования КМОП СБИС типа «система-на-кристалле» (СнК) и ОЗУ, разрабатываемых для изготовления по глубоко субмикронным и нанометровым технологиям объемного кремния уровня 250-90 нм и менее. Предложены технические решения, обеспечивающие повышенный уровень дозовой стойкости, сбоеустойчивости и отсутствие эффекта «защелкивания» паразитных p-n-p-n структур. Создана среда проектирования высокопроизводительных радиационно-стойких СБИС СнК и ОЗУ, содержащая библиотеки элементов и сложнофункциональные (СФ) блоки. Базовые технические решения аттестованы на специальных тестовых кристаллах и в составе разработанных СБИС.

The influence of the dominant radiation effects in bulk CMOS IC and VLSI on their electrical parameters and characteristics is analyzed. The effects of scaling and electrical modes on device and parasitic n-MOS transistors on the radiation hardness parameters are considered. The methodology of radiation-hardening-by-design of system-on-chip (SoC) and SRAM was developed for the 250-90 nm bulk CMOS processes. Technical solutions are proposed that provide an increased level of total ionizing dose tolerance, failure tolerance, and the absence of the latch-up effect. The framework for high-performance radiation-hardened SoC and SRAM design, containing standard cell libraries and IP-blocks, has been created. Basic technical solutions are certified on special test chips and as part of developed VLSI.

 КМОП транзисторы СБИС «система-на-кристалле» радиационная стойкость радиационно-стойкое проектирование библиотека элементов СФ-блоки одиночные события эффект «защелкивания » CMOS transistors system-on-chip radiation hardness radiationhardening-by-design standard cell library IP-block single event effects latch-up

Lacoe R. C. CMOS scaling, design principles and hardening-by-design methodology. In Short Course Notebook. Nuclear and Space Radiation Effects Conf. - NSREC’03 (Monterey, Jul. 2003). 2003. С. II-1-II-142. Lacoe R. C. CMOS scaling, design principles and hardening-by-design methodology. In Short Course Notebook. Nuclear and Space Radiation Effects Conf. - NSREC’03 (Monterey, Jul. 2003). 2003. S. II-1-II-142. Герасимов Ю. М., Григорьев Н. Г., Кобыляцкий А. В., Петричкович Я. Я., Солохина Т. В. От первых КМОП транзисторов до радиационно-стойких нанометровых КМОП СБИС СнК // Сб. трудов 4-й Международной научной конференции «Электронная компонентная база и микроэлектронные модули». М : ТЕХНОСФЕРА, 2018. С. 228-234. Gerasimov Yu. M., Grigor'ev N. G., Kobylyackiy A. V., Petrichkovich Ya. Ya., Solohina T. V. Ot pervyh KMOP tranzistorov do radiacionno-stoykih nanometrovyh KMOP SBIS SnK // Sb. trudov 4-y Mezhdunarodnoy nauchnoy konferencii «Elektronnaya komponentnaya baza i mikroelektronnye moduli». M : TEHNOSFERA, 2018. S. 228-234. Немудров В., Мартин Г. Системы-на-кристалле. Проектирование и развитие. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2004. 216 с. Nemudrov V., Martin G. Sistemy-na-kristalle. Proektirovanie i razvitie. M.: TEHNOSFERA, 2004. 216 s. Никифоров А. Ю., Телец В. А., Бойченко Д. В. Требования радиационной стойкости - экзотика для гурманов или гарантия наличия и технического уровня результата разработки для всех категорий потребителей ЭКБ? // Сб. трудов 3-й Международной научной конференции «Электронная компонентная база и электронные модули». М. : ТЕХНОСФЕРА, 2017. С. 32-36. Nikiforov A. Yu., Telec V. A., Boychenko D. V. Trebovaniya radiacionnoy stoykosti - ekzotika dlya gurmanov ili garantiya nalichiya i tehnicheskogo urovnya rezul'tata razrabotki dlya vseh kategoriy potrebiteley EKB? // Sb. trudov 3-y Mezhdunarodnoy nauchnoy konferencii «Elektronnaya komponentnaya baza i elektronnye moduli». M. : TEHNOSFERA, 2017. S. 32-36. Герасимов Ю. М., Глушков А. В., Григорьев Н. Г., Петричкович Я. Я., Солохина Т. В. Особенности проектирования радиационно-стойких библиотек элементов, СФ-блоков и нано-СБИС СнК // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем 2008. Сб. трудов / Под общ. ред. А. Л. Стемпковского. - М. : ИППМ РАН, 2008. С.272-275. Gerasimov Yu. M., Glushkov A. V., Grigor'ev N. G., Petrichkovich Ya. Ya., Solohina T. V. Osobennosti proektirovaniya radiacionno-stoykih bibliotek elementov, SF-blokov i nano-SBIS SnK // Problemy razrabotki perspektivnyh mikro- i nanoelektronnyh sistem 2008. Sb. trudov / Pod obsch. red. A. L. Stempkovskogo. - M. : IPPM RAN, 2008. S.272-275. Wong H., Iwai H. On the scaling issues and high-k replacement of ultrathin gate dielectrics for nanoscale MOS transistors // Microelectronic Engineering. 2006. №. 83. С. 1867-1904. Wong H., Iwai H. On the scaling issues and high-k replacement of ultrathin gate dielectrics for nanoscale MOS transistors // Microelectronic Engineering. 2006. №. 83. S. 1867-1904. Радиационная стойкость изделий ЭКБ / Под ред. д-ра техн. наук, проф. А. И. Чумакова. М. : НИЯУ МИФИ, 2015. 512 с. Radiacionnaya stoykost' izdeliy EKB / Pod red. d-ra tehn. nauk, prof. A. I. Chumakova. M. : NIYaU MIFI, 2015. 512 s. Чумаков А. И. Действие космической радиации на интегральные схемы. М. : Радио и связь. 2004. 320 с. Chumakov A. I. Deystvie kosmicheskoy radiacii na integral'nye shemy. M. : Radio i svyaz'. 2004. 320 s. Baumann R. Single-Event Effects in Advanced CMOS. In Short Course Notebook. Nuclear and Space Radiation Effects Conf. - NSREC’05 (Ceattle, Jul. 2005). С. II-1-II-59. Baumann R. Single-Event Effects in Advanced CMOS. In Short Course Notebook. Nuclear and Space Radiation Effects Conf. - NSREC’05 (Ceattle, Jul. 2005). S. II-1-II-59. Roy K., Mukhopadhyay S., Mahmoodi-Meimand H. Leakage current mechanisms and leakage reduction techniques in deep-submicrometer CMOS circuits // Proc. IEEE. 2003. Т. 91. № 2. С. 305-327. Roy K., Mukhopadhyay S., Mahmoodi-Meimand H. Leakage current mechanisms and leakage reduction techniques in deep-submicrometer CMOS circuits // Proc. IEEE. 2003. T. 91. № 2. S. 305-327. Esqueda I. S., Barnaby H. J., Alles M. L. Two-dimensional methodology for modeling radiation-induced off-state leakage in CMOS Technologies // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2005. Т. 52. № 6. С. 2259-2264. Esqueda I. S., Barnaby H. J., Alles M. L. Two-dimensional methodology for modeling radiation-induced off-state leakage in CMOS Technologies // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2005. T. 52. № 6. S. 2259-2264. Barnaby H. J., McLain M. L., Esqueda I. S., Chen X. J. Modeling ionizing radiation effects in solid state materials and CMOS Devices // IEEE Trans. Circuits Syst. I, Reg. Papers. 2009. Т. 56. № 8. С. 1870-1883. Barnaby H. J., McLain M. L., Esqueda I. S., Chen X. J. Modeling ionizing radiation effects in solid state materials and CMOS Devices // IEEE Trans. Circuits Syst. I, Reg. Papers. 2009. T. 56. № 8. S. 1870-1883. Witczak S. C., Lacoe R. C., Osborn J. V., Hutson J. M., Moss S. C. Dose-Rate Sensitivity of Modern nMOSFETs // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2005. Т. 52. № 6. С. 2602-2608. Witczak S. C., Lacoe R. C., Osborn J. V., Hutson J. M., Moss S. C. Dose-Rate Sensitivity of Modern nMOSFETs // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2005. T. 52. № 6. S. 2602-2608. Gadlage M. J., Schrimpf R. D., Benedetto J. M., Eaton P. H., Mavis D. J., Sibley M., Avery K., Turflinger T. L. Single event transient pulsewidths in digital microcircuits // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2004. Т. 51. № 6. С. 3285-3290. Gadlage M. J., Schrimpf R. D., Benedetto J. M., Eaton P. H., Mavis D. J., Sibley M., Avery K., Turflinger T. L. Single event transient pulsewidths in digital microcircuits // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2004. T. 51. № 6. S. 3285-3290. Giot D., Roche P., Gasiot G., Harboe-Sorensen R. Multiple-Bit Upset Analysis in 90 nm SRAMs : Heavy Ions Testing and 3D Simulations // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2004. Т. 54. № 4. С. 3278-3284. Giot D., Roche P., Gasiot G., Harboe-Sorensen R. Multiple-Bit Upset Analysis in 90 nm SRAMs : Heavy Ions Testing and 3D Simulations // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2004. T. 54. № 4. S. 3278-3284. Dodd P. E., Shaneyfelt M. R., Felix J. A., Schwank J. R. Production and propagation of single-event transients in high-speed digital logic ICs // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2007. Т. 51. № 6. С. 904-911. Dodd P. E., Shaneyfelt M. R., Felix J. A., Schwank J. R. Production and propagation of single-event transients in high-speed digital logic ICs // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2007. T. 51. № 6. S. 904-911. Balasubramanian A., Bhuva B. L., Black J. D., Massengill L. W. RHBD Techniques for Mitigating Effects of Single-Event Hits Using Guard-Gates // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2005. Т. 52. № 6. С. 2531-2535. Balasubramanian A., Bhuva B. L., Black J. D., Massengill L. W. RHBD Techniques for Mitigating Effects of Single-Event Hits Using Guard-Gates // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2005. T. 52. № 6. S. 2531-2535. Герасимов Ю. М., Глушков А. В., Григорьев Н. Г., Петричкович Я. Я., Солохина Т. В. Пат. 2539869 (РФ). Радиационно-стойкая библиотека элементов на комплементарных метал-окисел-полупроводник транзисторах. Опубл. в Б. И., 2015. № 3. Gerasimov Yu. M., Glushkov A. V., Grigor'ev N. G., Petrichkovich Ya. Ya., Solohina T. V. Pat. 2539869 (RF). Radiacionno-stoykaya biblioteka elementov na komplementarnyh metal-okisel-poluprovodnik tranzistorah. Opubl. v B. I., 2015. № 3. Герасимов Ю. М., Григорьев Н. Г., Кобыляцкий А. В., Петричкович Я. Я. Пат. 2674415 (РФ). Радиационно-стойкая библиотека элементов на комплементарных метал-окисел-полупроводник транзисторах. Опубл. в Б. И., 2018. № 34. Gerasimov Yu. M., Grigor'ev N. G., Kobylyackiy A. V., Petrichkovich Ya. Ya. Pat. 2674415 (RF). Radiacionno-stoykaya biblioteka elementov na komplementarnyh metal-okisel-poluprovodnik tranzistorah. Opubl. v B. I., 2018. № 34. Герасимов Ю. М., Григорьев Н. Г., Кобыляцкий А. В., Петричкович Я. Я., Пат. 2674935 (РФ). Радиационно-стойкий элемент памяти для статических оперативных запоминающих устройств на комплементарных металл-окисел-полупроводник транзисторах. Опубл. в Б. И. 2018. № 35. Gerasimov Yu. M., Grigor'ev N. G., Kobylyackiy A. V., Petrichkovich Ya. Ya., Pat. 2674935 (RF). Radiacionno-stoykiy element pamyati dlya staticheskih operativnyh zapominayuschih ustroystv na komplementarnyh metall-okisel-poluprovodnik tranzistorah. Opubl. v B. I. 2018. № 35. Герасимов Ю. М., Григорьев Н. Г., Кобыляцкий А. В., Петричкович Я. Я. Радиационно-стойкие элементы памяти для нанометровых КМОП СФ-блоков и СБИС // Электронная техника, Серия 3, Микроэлектроника, 2015, № 1(157). С. 10-16. Gerasimov Yu. M., Grigor'ev N. G., Kobylyackiy A. V., Petrichkovich Ya. Ya. Radiacionno-stoykie elementy pamyati dlya nanometrovyh KMOP SF-blokov i SBIS // Elektronnaya tehnika, Seriya 3, Mikroelektronika, 2015, № 1(157). S. 10-16. Герасимов Ю. М., Григорьев Н. Г., Кобыляцкий А. В. Методика выбора параметров логической цепи в нанометровых КМОП СБИС с повышенной сбоеустойчивостью // Проблемы разработки перспективных микрои наноэлектронных систем - 2016. Сборник трудов / Под общ. ред. академика А. Л. Стемпковского. М. : ИППМ РАН, 2016. Часть IV. С. 172-177. Gerasimov Yu. M., Grigor'ev N. G., Kobylyackiy A. V. Metodika vybora parametrov logicheskoy cepi v nanometrovyh KMOP SBIS s povyshennoy sboeustoychivost'yu // Problemy razrabotki perspektivnyh mikroi nanoelektronnyh sistem - 2016. Sbornik trudov / Pod obsch. red. akademika A. L. Stempkovskogo. M. : IPPM RAN, 2016. Chast' IV. S. 172-177.